基于PM5360的通道化0C48 POS線卡設(shè)計(jì)
在實(shí)際使用中，SDH信號(hào)有2種：一種是整體信號(hào)(concatenated mode，在其速率等級(jí)標(biāo)識(shí)中以“c”結(jié)尾)，這種信號(hào)直接采用高階虛容器進(jìn)行數(shù)據(jù)映射，如STM-16c信號(hào)類型的含義就是其內(nèi)部幀結(jié)構(gòu)是按照2．5 Gb／s的速率虛容器進(jìn)行字節(jié)間插，而不是由多個(gè)低階容器映射而得，因此無法將其明確的分為多個(gè)155 M或者622 M信號(hào)；另一種是通道化信號(hào)(channelized mode，在其速率等級(jí)結(jié)尾處沒有“c”)，這種信號(hào)是由低階虛容器逐級(jí)映射而得到，因此對(duì)STM-16信號(hào)，它可通過區(qū)分幀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的字節(jié)陣列來得到多個(gè)155 M信號(hào)或者622 M信號(hào)。
對(duì)應(yīng)于上述2種SDH信號(hào)，在POS傳輸中有2類線卡，一類用于處理整體SDH信號(hào)，一類用于處理通道化POS信號(hào)，這里重點(diǎn)討論后者。通道化POS線卡在目前主要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商的產(chǎn)品目錄里較少提及，但是其應(yīng)用領(lǐng)域卻越來越廣。隨著寬帶接入需求的不斷發(fā)展，許多企事業(yè)單位都需要租用獨(dú)享的鏈路，通道化的POS不僅能夠滿足這一要求，而且由于其對(duì)信號(hào)的匯聚能力強(qiáng)，因此還有節(jié)省布線資源及維護(hù)升級(jí)和線路備份成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，通道化線卡的應(yīng)用前景非常好，而且已經(jīng)在許多特種行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。
本文首先對(duì)通道化0C48(2．5 G)的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行分析，據(jù)此提出了基于PM5360和FPGA的整體設(shè)計(jì)方案，鑒于鏈路層處理器件PM5360在設(shè)計(jì)中的獨(dú)到之處以及使用中的難點(diǎn)，論文重點(diǎn)分析了其使用要點(diǎn)和難點(diǎn)，并給出了能夠靈活支持多種模式的芯片配置方法和軟件設(shè)計(jì)。
1 設(shè)計(jì)需求分析
0C48通道化線卡的設(shè)計(jì)除需要滿足通道化POS信號(hào)的處理需求外，還需要根據(jù)其可能的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步確定，主要包括：1)能夠?qū)νǖ阑疧C48信號(hào)進(jìn)行最小粒度為0C3的處理，需要支持單一OC3、單一OCl2以及混合方式，通道化0C48模式下的每個(gè)0C12能夠進(jìn)一步通道化為更細(xì)粒度的4個(gè)0C3；2)兼容非通道化的0C3c、OCl2c、OC48c信號(hào)處理；3)支持上述工作模式的動(dòng)態(tài)配置；4)支持IP包的線速處理。
2 整體方案
根據(jù)現(xiàn)代路由器等IP報(bào)文路由轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能需求，圖l給出了通道化0C48接口的整體設(shè)計(jì)方案。
由于需要滿足支持OC-3、OC-12和OC-48 3種不同速率的POS接口，因此選用Sumitomo Eleetric公司的SCP6802-GL和SCP6808-GL 2種型號(hào)的光器件，完成光電轉(zhuǎn)換功能。其中SCP6802-GL支持155 M／622M 2種POS接入速率，SCP6808-GL支持2．5 G POS接入速率，2種器件的封裝兼
容，且支持熱插拔，可以根據(jù)接口需求方便的轉(zhuǎn)換。
鏈路層處理是線卡要完成的關(guān)鍵功能，根據(jù)需求分析，這里選用PMC公司的PM5360為主處理器，該器件采用“成幀器與物理接口一體化”設(shè)計(jì)思路，將鏈路層處理和物理層處理功能集成在單一芯片內(nèi)部。
該器件支持l路OC48，或支持總速率不超過OC48的4路OC3與0C12的任意組合，并支持接口工作模式的動(dòng)態(tài)改變；根據(jù)Internet工程任務(wù)組(IETF)PPP工作組的RFC 2615(1619)／1662，執(zhí)行基于SONET／SDH規(guī)范的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議(PPP)：為POS或ATM應(yīng)用提供SATURN POS-PHY第3層32位系統(tǒng)接口(時(shí)鐘頻率高達(dá)104 MHz)，即標(biāo)準(zhǔn)的SPl3接口；支持每個(gè)傳輸串行流的獨(dú)立環(huán)路時(shí)鐘工作方式；支持從每條線路端接收流至相應(yīng)傳輸流的獨(dú)立線路環(huán)回，以及支持從線路端傳輸流至相應(yīng)線路端接收流接口的獨(dú)立診斷環(huán)回；提供通用16位微處理器總線接口，用于配置、控制和狀態(tài)監(jiān)控；低功耗1．8 V CMOS核心邏輯，具有3．3 V CMOS／TTL兼容性數(shù)字輸入和輸出功能，PECL輸入與輸出符合3．3 V標(biāo)準(zhǔn)。
報(bào)文處理模塊采用FPGA完成，根據(jù)對(duì)資源需求的估算，選擇Xilinx公司的Virtex-II XC2VP70實(shí)現(xiàn)。在FPGA內(nèi)部完成對(duì)于PPP幀的處理，此外，板級(jí)處理機(jī)還利用FPGA完成對(duì)各關(guān)鍵器件的初始化及相關(guān)配置。
PM5360通過一組SPI-3接口經(jīng)接口適配模塊進(jìn)入FPGA內(nèi)部。根據(jù)系統(tǒng)管理需求，線卡通過MPC860完成控制管理功能，基于VxWorks操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)板級(jí)軟件，完成初始化、各模塊配置、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)信息上報(bào)等功能。
3 PM5360應(yīng)用要點(diǎn)與難點(diǎn)
由于PM5360集成的功能豐富，其內(nèi)部電路復(fù)雜，可配置寄存器數(shù)量超過2 000個(gè)，因此其應(yīng)用難度較大。根據(jù)筆者的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，下面對(duì)該器件在通道化應(yīng)用下的難點(diǎn)進(jìn)行解釋，主要包括間接寄存器讀寫方法及調(diào)度機(jī)的設(shè)計(jì)等。
在PM5350的寄存器里，除了能夠直接按照訪存方式讀寫的寄存器外，還有大量間接寄存器，此類寄存器對(duì)POS模式下的器件工作方式尤為重要，但其配置方式特殊，因此本文對(duì)其使用要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，如圖2所示。
在PM5360內(nèi)部有一個(gè)內(nèi)置調(diào)度機(jī)，負(fù)責(zé)按照配置好的調(diào)度順序讀取各個(gè)通道的數(shù)據(jù)并放人接口緩存中，由于該芯片采用物理標(biāo)識(shí)(PHID)和內(nèi)部通道號(hào)同時(shí)存在的設(shè)計(jì)思路，而且通道化應(yīng)用下單個(gè)物理通道內(nèi)具有多個(gè)數(shù)據(jù)流，因此調(diào)度機(jī)的設(shè)計(jì)更復(fù)雜。
表1總結(jié)了調(diào)度機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，具體應(yīng)用中，根據(jù)需要的模式將該表中的相應(yīng)數(shù)值和對(duì)應(yīng)的物理標(biāo)識(shí)通過間接寄存器接口寫入地址為0x0335的寄存器。
另外，在應(yīng)用中需要注意的是，PM5360在每個(gè)通道內(nèi)都置有2組并行的模塊：xCFP和xTDP。其中xCFP包括RCFP(接收方向信元和幀處理器)和TCFP(發(fā)送方向信元和幀處理器)，xCFP用于0C12和OC48模式下的數(shù)據(jù)處理。xTDP包括RTDP(接收方向時(shí)間片數(shù)據(jù)通信處理器)和TTDP(發(fā)送方向時(shí)間片數(shù)據(jù)通信處理器)，用于OC3模式下的數(shù)據(jù)處理。在這兩個(gè)模塊的配置中，除了保證所有寄存器都按要求置位外，還需注意根據(jù)線路的實(shí)際特點(diǎn)完成各個(gè)通道以及內(nèi)部子通道的加擾與解擾方式、使CRC校驗(yàn)算式等與實(shí)際線路一致，這一點(diǎn)在實(shí)際中常被忽略而成為偽故障，從而導(dǎo)致開發(fā)周期延長(zhǎng)。
值得指出的是，由于PM5360內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模塊眾多，同時(shí)數(shù)據(jù)處理路徑上的許多單元具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因此廠家建議了一個(gè)較為嚴(yán)格的復(fù)位與配置順序，基本原則可以總結(jié)為“按照數(shù)據(jù)流向，先完成邏輯單元配置，再完成物理單元配置，最后使能功能模塊”，在實(shí)際中應(yīng)照此原則執(zhí)行。
4 支持動(dòng)態(tài)模式的PM5360配置軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中的線卡支持多種工作模式，因此要求PM5360能夠根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)改變其內(nèi)部寄存器配置，本部分給出其配置函數(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。圖3是支持動(dòng)態(tài)模式的PM5360配置函數(shù)。
該函數(shù)的基本形式為：PM5350_Config(unsigned charmode，unsigned char pathO_mode，unsigned char pathl_mode，unsigned char path2_mode，unsigned ehar path3_mode)。該函數(shù)的5個(gè)參數(shù)均為unsigned char類型，其中第1個(gè)參數(shù)mode用于指示器件處于通道化工作狀態(tài)還是非通道化狀態(tài)，其余4個(gè)函數(shù)分別代表其4個(gè)通道的工作狀態(tài)。
根據(jù)路由器的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，線卡等功能部件通過內(nèi)部通信系統(tǒng)與主控聯(lián)系，獲取配置信息，并實(shí)時(shí)上報(bào)自身的運(yùn)行狀態(tài)信息和相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息。因此，在圖3中，函數(shù)PM5350_Config()中的參數(shù)是由主控下發(fā)的，函數(shù)接收到參數(shù)后按照該流程進(jìn)行解釋，從而完成配置。
5 性能測(cè)試
為了測(cè)試通道化單板的功能和性能，設(shè)計(jì)如圖4所示的測(cè)試方案。其基本原理是：按照該線卡在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用特征，由測(cè)試控制臺(tái)發(fā)出命令控制網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)AX4000按照所需模式發(fā)送數(shù)據(jù)至待測(cè)線卡，線卡接收數(shù)據(jù)后按照其內(nèi)部處理機(jī)制完成報(bào)文處理，并最終經(jīng)輸出接口將數(shù)據(jù)送至測(cè)試儀，測(cè)試儀根據(jù)收到的報(bào)文情況給出丟包率等性能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果。
測(cè)試的主要內(nèi)容是通道化混合信道類型支持能力，具體指標(biāo)包括丟包率、時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)等。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的線卡能夠支持需求分析所提出的全部功能指標(biāo)，并且在100％鏈路利用率下，能夠線速處理全部報(bào)文，丟包率為0，且各種性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。表2給出了時(shí)延測(cè)試結(jié)果，表明實(shí)際的時(shí)延指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。
6 結(jié)束語
本文基于PM5360和FPGA設(shè)計(jì)通道化OC48線卡，討論設(shè)計(jì)需求，給出總體設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)分析PM5360的使用要點(diǎn)和難點(diǎn)，并給出能夠動(dòng)態(tài)變換工作模式的芯片配置方法。測(cè)試結(jié)果表明本文的設(shè)計(jì)能夠滿足實(shí)際需求。
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